HUBEI UNIVERSITY OF EDUCATION高等教育自学考试毕业设计〔论文〕题目 PLC对交通的智能控制 专业班级 电子信息工程0702班 姓名 胡威 指导教师姓名、职称 林柏林硕士〔讲师〕 所属助学单位 湖北第二师范学院 2021年 0 2 月 26 日摘 要城市交通信号控制是通过对交通流量的调节以到达改善人和货物的平安运输，提高运营效率交通系统是一个具有随机性、模糊性和不确定性的复杂系统，建立数学模型非常困难，有时甚至无法用现有的数学方法加以描述目前大多采用的是自适应信号控制，它需要数学建模，且不考虑交通延误、停车次数等所以经典控制法很难得到满意的效果而模糊控制是一种无须建立数学模型的控制方法，它能模仿有经验的交警指挥交通时的思路，到达很好的控制效果近些年来我国的许多学者也都以不同的思路对单个交叉口、交通干线的模糊控制进行了研究，但因研究的局限性，实际中得到应用的寥寥无几，本文实现基于PLC的交通信号的模糊控制系统。
根据前后相流量来决定信号灯配时的模糊控制系统的理论研究成果，用PLC实现单个十字路口交通信号灯模糊控制的方法，以单个十字路口4相位交通灯为例，把PLC作为一个模糊控制器，采用梯形图编程通过实验保证了系统运行稳定可靠，能根据不同的交通流量进行模糊控制决策，优化信号灯的配时，从而可以有效的解决交通流量不均衡、不稳定带来的问题关键词：交通; 智能控制; PLC ABSTRACT The munipal transportation signal control is through the adjustment，the waning and the induction which flows to the transporation achieved improves the person and the cargo safe transportation, enhancig the operation efficiency. Transport system is a random nature, ambiguity and uncertainty of complex systems, the establishment of mathematical models very difficult and sometimes impossble to use existing mathematical methods described. the most adaptive signal control is used,it needs mathematical model,without considering traffic delays,And vague control is a mathematical model to control methods, it can imitate experienced police directingtraffic,ideas, achieve good control results. In recent years many of our scholars have different ideas of individual junction, traffic control Route vague studied, but the limitations of the theory and research scholars, the few practical applications, based on this achievement traffic signals vague PLC control system.According to determine signal distribution and flow of the control system vague theoretical resesrch results, the achievement of individual intersections with traffic lights blur PLC control methods for individual crossroads 4 phase of traffic lights, for example,the PLC as an ambiguous signal controllers using Ladder programming. through experiments that the reliable operation of the system to a vague under different traffic control decision-making, optimize signal distribution, which can effectively solve traffic imbalance,instability brought.Keywords：Transportation; Intelligent control; PLC 目 录第一章 绪论……………………………………………………………………11.1 道路交通状况…………………………………………………………….11.2 智能交通的国内外开展状况……………………………………….……11.3 交通信号灯控制的研究现状…………………………………………….3.1.4 本文的主要工作内容…………………………………………………….4第二章 十字路口信号控制的根本理论和方法………………………………52.1 交通信号灯……………………………………………………………….52.2 信号灯的设置 …………………………………………………………...62.3 交通信号的控制方式 …………………………………………………...62.4 城市道路智能交通信号控制系统 ………………………………………7 智能交通信号控制系统的根本组成 ……………………………….7 交通信号控制系统的主要术语和参数………………………….…..7 智能交通信号控制系统的主要控制方法…………………………………82.4.4 智能交通信号控制的核心……………………………………………92.4.5 智能交通信号控制系统的分级设计根本步骤……………………..10 智能交通信号控制系统的运行管理与分级控制……………………….10第三章 模糊控制……………………………………………………………… 103.1 控制理论的开展与模糊控制理论的提出………………………………..103.2 模糊控制规那么的型式………………. …………………………………..12 3.3 决定模糊控制规那么的流程……………………………………………13 3.4 十字路口交通灯的控制策略……………………………………………..143.5 交通信号灯控制器的设计………………………………………………. 18第四章 基于PLC的模糊控制系统的设计实现………………………………214.1 可编程控制器……………………………………………………………..224.2 硬件电路………………………………………………………………… .224.3 PLC的编程设计………………………………………………………… .274.4 软、硬件的调试…………………………………………………………. 31系统的性能………………………………………………………………. 32结论……………………………………………………………………………… 33致谢………………………………………………………………………………34参考文献…………………………………………………………………………35第一章 绪论1.1 道路交通状况 当前，全国大中城市普遍存在着道路拥挤、车辆堵塞、交通秩序混乱的现象。
概括起来，目前我们城市交通主要呈现出以下特点和问题： 1、城市规模逐步扩大，运输压力沉重改革开放以来的20多年，我国取得了持续高速经济增长和大规模城市化的辉煌成就城镇化水平从1978年的17.9％提高到2002年的39.1％，年均增长0.88个百分点而大量人员出行和物资交流频繁，使城市交通面临着沉重的压力 2、机动车增长加快，道路容量缺乏最近几年城市机动车增长速度迅速，轿车、客车、面包车以至于摩托车增幅年平均在15%以上而与之对应的人均道路面积一直处于低水平状态，虽然近十年已经有了较快开展，人均面积由2.8平方米上升到6.6平方米，仍赶不上城市交通量年均20%的增长速度 3、路网不合理，交通管理水平低下我国现有城市路网一般都是密度低、干道间距过大、支路短缺、功能混乱，属于低速的交通系统，难以适应现代汽车交通的需要，交通控制管理和交通平安管理的现代化设施不能满足现实的需求 4、公共交通萎缩，出行结构不合理从80年代后期开始，城市公共汽车交通持续萎缩，从运营效率到经营管理，从效劳水平到经济效益，出现了全面的衰退虽然公交车辆和线路长度增长许多，但公交车辆的运营速度不断下降，新增的运力被运输效率下降所抵消。
由于公共交通受到冲击，被转移出来的乘客便要寻找其它出行方式，加剧出行结构的不合理现代城市需要有一个与其现代化生活相适应的现代化交通体系，要形成一个与城市开展布局高度协调的综合交通格局要把长远规划目标同近期调整改善结合起来近期应做好与城市交通量根本相适应的道路网络系统，逐步改善常规公共交通的效劳管理质量，有机地配合好综合交通规划，拓展空间利用条件，重点开展以轨道交通为骨干的公共交通网络，积极引入具有大、中客运量的地铁和轻轨交通方式 智能交通的国内外开展状况 美国、日本、欧洲都依据各自的目标，分段开发了相应的交通控制集成系统软件美国的RHODES等就是在美国先进的交通管理系统ATMS的框架指导下，以提高交通效劳水平为目标，集成了交通信号控制、出行者信息，交通需求，事件管理、排放检测等出行交通管理效劳等的集成控制系统 RHODES系统依托自适应交通信号控制系统，扩展到公交的结合，实现公交信号优先和公交信息发布DYNASMART系统基于多样式采集的信息，实时分析交通状态，利息按设计和评估实时信号控制、干线路径诱导等交通管理策略的运行效果，提供网络交通状态信息给公共出行者信息系统，确定与时间和当前状态相关的最优的拥挤消散策略。
日本的集成控制系统以UTMS为代表，其目标是实现交通信息采集智能化、信号控制智能化、交通信息提供智能化，并能够与交通流诱导系统VICS互相联动 同样，这种集成系统在欧洲开展也很快，欧洲的TABASCO系统，将实时采集的交通数据，自适应交通控制系统，公路匝道调节，动态信息显示整合起来，主要是用于顶峰期间平衡路网交通负荷运行结果说明，当前路网23%的交通负载被转移，可替换路线的行程时间仅仅增加1%，协同系统可防止过饱和的瓶颈路段形成，路面平均运行时间减少13%另外，FASTRAC系统也是信号控制系统根底上诱导集成的一个系统，其核心算法就是在中心运用动态交通分配，将诱导和控制结合起来 目前，我国各城市的交通控制集成的程度不一，北京市建立了整合管理系统TTMS也就是类似国外的TCIS，以交通信息中心为轴，连接公交系统、出租车系统城市捷运系统、轻轨系统、车速信息系统等，根据规划：第一阶段实现交通管理整合，第二阶段实现公共交通的整合，第三阶段实现信息平台的建设 上海交通信息化建设的目标：整合城区的交通监控系统、市郊公路及高速公路监控系统、车辆运行监控系统以及泊车系统等方面的相关信息，形成物流信息畅通能力。
大范围的交通共用信息平台不是以逸待劳的工程，是不断吸纳、不断完善的工程目前，北京上海已经初步建立了比拟完善的信息采集系统，能够实现交通数据采集，并判断出交通状态进行发布，为管理者和决策者提供支持，其他省会城市也根本上实现了信号控制系统、122接处警、交通违法取证系统等集成统一的指挥中心平台1.3 交通信号灯控制的研究现状城市交通系统是一种非线性的、时变的、滞后的大系统，以往的交通控制研究多是基于启发式的考虑，而不是基于控制理论的方法近多年来，随着众多研究控制理论出身的学者的加盟，使得城市交通自动控制领域的研究出现了新的思路、新的方法本小节就近年来交通信号控制理论的研究进展作一简述1. 静态多段配时控制静态多段配时控制是利用历史数据实现的一种开环控制，其根本设计思想源于线性规划它没有考虑交通需求的随机波动，没有考虑城市道路交通流的实时进化过程，其控制能力和抗干扰能力非常有限但就城市某一区域而言，每日的交通状况毕竟表现出相当程度的重复性，车流的运动变化仍有一定的规律可循因此研究静态多段配时控制，将其作为其他控制策略的“参照系〞，或为它们提供“初值系统〞还是很有意义的这种方法简便易行，尤其适用于稳态交通环境，颇受交通工程人员欢送。
2. 准动态多段配时控制准动态多段配时控制与静态多段配时控制相类似，只不过多段的划分不是以时间为依据，而是以检测到的实时交通状态为依据交通状态可以用交通量、占有率、车速等交通数据的特征值来表达被划分成的假设干个交通状况分别配以不同的优化配时准动态多段配时控制是一闭环控制系统由于反响的引入，所以系统的动态性能比静态多时段控制有明显改善，但是又由于它的控制方式仍属于方案选择式，所以系统动态性能的改善又十分有限，故称之为准动态系统3. 最优控制城市交通控制的最优问题可表述如下:对于满足约束条件： 〔1-1〕 〔1-2〕的系统 〔1-3〕 给定初始状态, 确定一个控制序列r(k)，使得以下性能指标最优 〔1-4〕其中:(1-l)式表示各方向排队长度不能超过允许的上限，否那么会影响上游相邻路口的放行1-2)式表示控制变量r(也即绿信比)受到最大绿灯时间和最小绿灯时间的约束。
1-3)式中的表示路网中所有支路上排队长度组成的向量;r表示各支路放行流量组成的向量，它与各路口的绿信比相对应，是一控制向量;B是控制矩阵(i=0，1，…，m);a是一个时变的车辆到达向量1-3)式表示:此步排队长度是上步剩余排队长度减去此步放行长度，再加上此步到达车辆数1-4)式表示性能指标，己经写成了二次型函数形式;rN为期望的控制向量，R，Q为加权矩阵在(1-4)式中引入了控制偏差的二次函数，目的是使最优控制问题易于求解如果控制系统的规模较小，控制模型维数较低，就可用极小值原理或动态规划法对上述最优问题求解1.4 本文的主要工作内容近年来，国内外许多专家致力于开发新的交通信号控制方法，人工智能是新的研究方向之一，这是因为人工智能在复杂系统的定性建模和控制上卓有成效由于交通流量是时变的、非线性的，具有较大的随机性，并且很难建立精确的数学模型，所以本文设计了一种根据前后相流量来决定信号灯配时的模糊控制系统，其主要内容如下:(l)对十字路口交通信号灯控制问题、控制系统组成等进行描述(2)设计两级模糊控制系统(3)在PLC上编程实现此模糊控制系统第二章 十字路口信号控制的根本理论和方法2.1 交通信号灯交通信号灯是交通信号中的重要组成局部，是道路交通的根本语言。
交通信号灯由红灯〔表示禁止通行〕、绿灯〔表示允许通行〕、黄灯〔表示警示〕组成分为：机动车信号灯、非机动车信号灯，车道信号灯、方向指示信号灯、闪光警告信号灯、道路与铁路平面交叉道口信号灯在道路上用来传递具有法定意义指挥交通流通行或停止的光、声、手势等，都是交通信号交通信号是在空间上无法实现别离原那么的地方，主要在平面交叉口上，用来在时间上给交通流分配通行权的一种交通指挥措施交通信号灯用轮流显示不同灯色来指挥交通的通行或停止随着信号灯的开展，各国使用的信号灯存在不同的差异，各自给信号灯赋予不同的含义我国目前使用的信号灯根本上与国际规定一致，具体含义如下:(l)绿灯亮时，允许车辆、行人通行，但转弯的车辆不准阻碍直行的车辆和被放行的行人通行2)黄灯亮时，不准车辆、行人通行，但已越过停止线的车辆和已进入人行通道的行人，可以继续通行3)红灯亮时，不准车辆、行人通行4)绿色箭头灯亮时，准许车辆按箭头所示方向通行5)黄灯闪烁时，车辆、行人须在确保平安的原那么下通行6)右转弯车辆和T形交叉口右边无人行横道的直行车辆，遇黄灯或红灯时，在不阻碍被放行的车辆和行人通行的情况下可以通行2.2 信号灯的设置交通信号灯与雨棚信号灯的控制系统有所不同。
同是信号灯，工作原理却有些不同传统的控制方式采用固定时间进行循环，因为即使是同一个路段，不同时间的交通流量也会有很大的区别，所以很选择一个适宜的时间片长度比拟困难改良后的动态控制技术能通过地下的传感器感知交通状况的变化，从而对交通进行更为有效的动态调整使用协调控制方式，每一个路口的信号灯不再作为独立的单位运作，而是很多信号灯一起组成一个庞大相联系的系统，由一个主控制器进行协调控制，能够使车辆更少地遭遇红灯此外，在行人比拟的情况下，有的信号灯在深夜时会自动熄灭，有的信号灯一般情况下不工作，由行人按动按钮来进行启动这样的智能化比拟节能交通信号灯内部一般包括探测器接口面板，电源面板，冲突检测单元，控制器等等，还有供交警进行操作的面板，它的的控制系统看起来像是一个放在混凝土箱子内的橱柜雨棚信号灯的内部却是不一样的在吸取国外信号灯设置经验的根底上，结合我国目前具体的交通状况，路口信号灯的设置与改良要运用交通工程学理论作指导，根据路口的地形特点、车流状况，作好车辆与行人交通流量的调查，进口道上车辆行驶速度的调查，交通事故及违章调查，车辆可穿越的空当及延误调查等，具体问题具体分析，制定优化的信号配时，保证现代交通高效、节能、低公害运行。
交叉路口交通信号灯安装方式有两种，一种是安装在伸向交叉路口中央上空型臂上;一种是安装在路口边或中央的灯柱上信号灯的排列方式通常分为两种:1、水平排列式从道路的中心线一侧起以红、黄、绿的顺序向路边排列常用于路面较宽的道路2、垂直排列式从上往下依次是红、黄、绿灯这种方式常用于路面较窄的道路按固定方式排列信号灯有两个好处:一是把红灯信号放在最醒目的位置;二是可使患有色盲的人凭借位置来判断信号的含义在交叉路口中央上空安装信号灯时应符合车辆通行净空高度界限的要求信号灯的亮度应保证人们在1O0m以外能看清2.3 交通信号的控制方式采用多MCU、模块化设计，结构紧凑合理，便于维护和功能扩充 采用国际标准的工业现场总线，具备很强的环境适应能力 设置完全独立的纯硬件系统监控电路，确保设备长期可靠运行 常规通讯可兼容光纤和 线两种方式；也可根据需求扩展TCP/IP协议的网络通讯方式 主要功能： 〔1〕联网实时协调控制：通过与指挥中心通讯机连接，实现数据双向实时传输；信号机可及时上报现场各种交通参数和工作状态；中央控制系统可实时下发控制命令，进行远程同步步进遥控 〔2〕运行参数远程设置：中央控制系统可将各种经过优化的控制方案及时下载到信号控制机中保存，使信号控制机在独立运行状态下也能按照指挥中心制订的方案运行。
〔3〕自动降级处理：在通讯异常或中断等异常情况下具有自动降级处理功能 〔4〕运行参数现场修改：控制方案及参数也可在现场通过控制面板进行修改，或用手提电脑连接到串行接口上直接输入修改 〔5〕无线缆自协调控制：依靠设备内置的精密时钟和优化的方案配置，可在无系统或通讯中断情形下实现无线缆自协调控制 〔6〕交通参数采集存储：配置车辆检测模块后，可实时上报检测器状态及自动采集、储存并传送车流量、占有率等交通参数 〔7〕单点感应控制：在信号机独立运行状态下，可根据车辆检测器的检测参数，进行半感应或全感应控制 〔8〕分时段、变周期控制：在信号机独立运行状态下，依据信号机中在座的多时段控制方案实现按不同日期、分时段、变周期控制 〔9〕现场手动控制：可通过控制面板在路口现场进行手动步进控制或手动强制黄闪控制 〔10〕其他控制方式：扩充相应的接口模块和检测设备，可实现公交车辆优先等特殊控制方式目前，许多信号系统都实现了计算机控制，使用计算机系统控制的地理交叉口，其信号一般采用预定周期式控制有些城市还局部地实现了交替信号的线或面的联动控制，在这样的系统中，计算机充当了主控机和监视器的角色。
此时，信号的联动不仅对提高单个信号交叉口的通行能力和效劳水平有很大作用，而且还对提高整条道路或整个路网的通行能力发挥着极其重要的作用2.4 城市道路智能交通信号控制系统智能交通信号控制系统是城市道路交通管理系统中对交叉路口、行人过街，以及环路出入口采用信号控制的子系统，是运用了交通工程学、心理学、应用数学、自动控制与信息网络技术以及系统工程学等多门学科理论的应用系统 主要包括交通工程设计、车辆信息采集、数据传输与处理、控制模型算法与仿真分析、优化控制信号调整交通流等国内外各大中城市已有的交通信号控制系统就是根据不同环境条件，基于各自城市道路的规划和开展水平建立起来的1 智能交通信号控制系统的根本组成 智能交通信号控制系统的根本组成是主控中心、路口交通信号控制机以及数据传输设备其中主控中心包括操作平台、交互式数据仓、效益指标优化模型、数据〔图象〕分析处理等具体结构框架见以下图 城市道路智能交通信号控制系统框架智能交通信号控制系统的核心 智能交通信号控制系统的核心是控制模型算法软件，是贯穿规划设计在内的信号控制策略的管理平台，表达着交通管理者的控制思想，它包括信号控制系统将起到的作用和地位。
目前，国内外已应用的信号控制系统大多是以优化定周期方案、优化路口绿信号配比以及协调相关路口通行能力为根底的，是根据历史数据和自动检测到的车流量信息，通过设置的控制模型算法选取适当的信号配比控制方案，是被动的控制策略 应用较多的核心软件即效益指标优化模型的是英国运输和道路研究所〔TRRL〕研制的SCOOT系统〔Split Cycle Offset Optimization Technique〕和澳大利亚悉尼为应用背景开发的SCATS系统(Sydney Coordinated Adaptive Traffic System),他们是动态的实时自适应控制系统的早期代表，也是未来一个时期交通信号控制系统智能化开展的开发根底 随着网络技术的开展，交互式控制策略使信号控制由感控到诱导实现了真正的智能，交通信号控制系统不仅可以检测到车流量等交通信息参数，调控路口绿信号配比，变化交通限行、禁行等指路标志，还可以根据系统联接的数据仓完成与交通参与者之间的信息交换，向交通参与者显示道路交通信息、停车场信息，提供应交通参与者合理的行驶线路，以到达均衡道路交通负荷的主动的控制策略 尤其重要的是计算机网络技术和数字化使数据传输和信息利用得到了可靠保证。
可以说，城市道路智能交通信号控制系统是城市道路交通管理随着信息产业技术迅猛开展的综合产物 交通信号控制系统的主要术语和参数 周期：是指信号灯色发生变化，显示一个循环所需的时间，也称周期长，即红、黄、绿灯时间之和相位：即信号相位，是指在周期时间内按需求人为设定的，同时取得通行权的一个或几个交通流的序列组 相位差：具有相同周期长的相关路口，在同方向上的两个相关相位的启动时间差，称为相位差 绿信比：是指在周期长内的各相位绿灯时间与周期长之比 饱和流量：是衡量路口交通流施放能力的重要参数，通常是指一个绿灯时间内的连续通过路口的最大车流量 流量系数：是实际流量与饱和流量的比值既是计算信号配时的重要参数，又是衡量路口阻塞程度的一个尺度 绿灯间隔时间：是指从失去通行权的相位的绿灯结束，到下一个得到通行权的相位绿灯开始所用的时间 有效绿灯时间：是指被有效利用的实际车辆通行时间它等于绿灯时间与黄灯时间之和减去头车启动的损失时间 延误：是指交通冲突或信号控制设施的限制给车辆带来的时间损失它是计算信号配时和衡量路口通行效果的一个重要参数，也常作为确定信号控制系统性能的重要参量智能交通信号控制系统的主要控制方法 单点定配时多相位信号协调控制〔时钟调用预设方案、减少交通冲突点、配合早断和迟启〕 车辆感应实时自适应协调控制〔调整周期、绿信比，增加有效绿灯时间〕用户优先无电缆干线协调控制〔协调周期、相位差，照顾行人、公交车、特种车〕实时自适应区域控制〔交通流仿真、优化效益指标、均衡区域交通流〕2.4.4 智能交通信号控制的核心智能交通信号控制系统的核心是控制模型算法软件，是贯穿规划设计在内的信号控制策略的管理平台，表达着交通管理者的控制思想，它包括信号控制系统将起到的作用和地位。
目前，国内外已应用的信号控制系统大多是以优化定周期方案、优化路口绿信号配比以及协调相关路口通行能力为根底的，是根据历史数据和自动检测到的车流量信息，通过设置的控制模型算法选取适当的信号配比控制方案，是被动的控制策略随着网络技术的开展，交互式控制策略使信号控制由感控到诱导实现了真正的智能，交通信号控制系统不仅可以检测到车流量等交通信息参数，调控路口绿信号配比，变化交通限行、禁行等指路标志，还可以根据系统联接的数据库完成与交通参与者之间的信息交换，向交通参与者显示道路交通信息、停车场信息，提供应交通参与者合理的行驶线路，以到达均衡道路交通负荷的主动的控制策略尤其重要的是计算机网络技术和数字化使数据传输和信息利用得到了可靠保证可以说，城市道路智能交通信号控制系统是城市道路交通管理随着信息产业技术迅猛开展的综合产物2.4.5 智能交通信号控制系统的分级设计根本步骤根据路口交通流现状和预测进行交通渠化设计分析原始交通流数据，通过仿真模型效验，确定控制模式，进行交通参数设定根据交通渠化设计及控制模式的设计要求完成交通工程设计〔包括车辆检测器的检测区定位〕根据各个路口配备设备的相关性，完成协调设计确定系统和单点控制的优化目标函数，得出最优信号控制方案配置路口信号控制机的固化根底参量，配置主控中心数据库与数据传输设置。
智能交通信号控制系统的运行管理与分级控制 信号控制系统的运行管理主要包括对主控中心数据库包括地理信息在内的操作平台的数据更新，对交叉路口设施尤其是车辆检测设备的检修和效对，保证完好率和准确率 由于交通信号控制系统的建设是与城市规划及道路规划休戚相关的，设施建设及完善有一定的制约，一步到位是不切实际的，因此，智能交通信号控制系统的管理模式就是集中管理，分级控制，充分利用现有设施，按实际交通现状先进行单个交叉路口的自适应协调，然后是主干线的协调控制，实现分布式协调的分级控制，最终到达区域控制的系统最优第三章 模糊控制利用模拟数学的根本思想和理论的控制方法在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键，系统动态的信息越详细，那么越能到达精确控制的目的然而，对于复杂的系统，由于变量太多，往往难以正确的描述系统的动态，于是工程师便利用各种方法来简化系统动态，以达成控制的目的，但却不尽理想换言之，传统的控制理论对于明确系统有强而有力的控制能力，但对于过于复杂或难以精确描述的系统，那么显得无能为力了因此便尝试着以模糊数学来处理这些控制问题自从1965年加里福尼亚大学教授扎德 (L.A.Zadeh)提出了模糊集合的概念之后，模糊理论得到了飞速的开展，并应用于各个学科，产生了模糊识别、模糊控制等一系列前沿学科。
到1974年Momdoni成功地研制出第一台模糊控制器，从此模糊理论从一种思维方式变成了控制理论中的一种具体应用模糊控制理论的提出，是现代控制理论、人工智能领域的一个重要突破，它实际上是对人类长期以来对自然界中一些复杂的、不确定的、无法用现有数学工具进行描述的对象进行定量的模糊的描述和控制3.1 控制理论的开展与模糊控制理论的提出1、控制理论的开展在英国工业革命之前，生产处于不兴旺的状态，工业主要是作坊式手工业或小手工业，对生产过程的控制往往是凭借人的智慧、经验等手段随着工业革命的到来，大规模生产的出现，使生产过程的控制和自动化成为必然，自动控制理论应运而生最早的控制理论为古典控制理论，它是以简单对象为控制背景，解决单输入--单输出的控制关系如上烧制陶瓷过程，如要保证大批量陶瓷品的质量和生产自动地进行，就必须对烧制过程某个关键参数进行定量的控制，而次要参数在其主要参数控制的前提下进行一定的限制随着工业技术的不断开展，特别是电子、计算机和空间技术的开展，自动化程度的控制精度要求越来越高，古典控制理论已不能适应工业要求考虑上例，对陶瓷品质量影响的因素不仅是T和时间，还有窑内的气氛(酸碱性)、压力、温升和温降的梯度曲线等，同时输入量还有负载(一窑所有陶瓷品的量)的变化。
因此，必须考虑多个输入(喷量、负载)和多个输出(温度、温度梯度、气氛)的控制，这就促使现代控制理论的诞生1958年，卡尔曼和布西发表了关于线性滤波器和估计器的论文，即著名的卡尔曼滤波，它代表了控制理论向现代控制理论开展，现代控制理论研究的对象是多输入--多输出的多变量复杂系统现代控制理论的提出为现代工业和空间技术的开展打下了坚实的根底2、传统控制理论的根底与其缺陷传统控制理论，无论是古典还是现代控制理论，它要解决问题的立足点就是要建立对象的精确的数学模型--即输入与输出的数学方程式，然后对此模型进行求解，从而得到控制规那么当我们能够得到对象的精确的数学模型，并通过数学的手段求解该数学模型，那么我们就可以精确地制定控制规那么，即通过调节输入量而到达控制输出量的目的这时自动控制问题迎刃而解但是，在自然界中，大多数对象都不是独立存在的，各个参数之间往往存在着千丝万缕的联系而数学模型的建立常常是在忽略众多“次要因素〞的根底上得到的，因此数学模型并不能完全反映对象性质同时对复杂对象来说，它的数学模型的得到和求解都是非常困难的，工业上常采用经验公式法进行，它是在一定的误差范围、一定的假设条件下近似进行的。
现代控制理论中往往研究的对象非常复杂，当遇到非线性、时变对象时，对象的数学模型更不易求得，而且建立起来的数学模型也往往是会随着外界的改变而改变为此，现代控制开展了自适应控制理论，这种理论的关键在于系统可以根据得到的外界信息，按不同的方案自行修改数学模型，从而“自动〞地“适应〞对象的变化随着计算机的应用和机器人学的开展，传统控制理论中的最根本的建模成了限制控制理论开展的障碍当控制理论中的传统思维模式在新问题面前显得无能为力时，就预示着必然有一种新的思维模式的来临3、模糊控制的提出1966年扎德提出了模糊思维方法，这为传统控制理论的突破照亮了一盏明灯我们可以避开数学模型，而直接从人的经验、人的客观认识出发去求解问题如上例中，我们可以把制陶人的经验，它根据色泽等信息反响在人脑中所进行模糊的判断的过程进行整理和处理，归纳成一组条件语句，并用模糊数学工具加以量化，用模糊逻辑语言给出模糊算法，做出决策，实现对系统的控制(并非照搬)，从而避开数学模型这一棘手问题模糊控制与传统控制完全不同，它不依赖精确的数学模型，不需要知道影响模型的参数本身的性质及参数之间相互关系的性质，因此，可以克服系统建模中所遇到的复杂问题3.2 模糊控制规那么的型式模糊控制规那么的型式主要可分为二种： 〔１〕 状态评估模糊控制规那么 状态评估〔state evaluation〕模糊控制规那么为类似人类的直觉思考，所以大多数的模糊控制器都使用这种模糊控制规那么，其型式如下：Ri：if x1 is Ai1 and x2 is Ai2….and xn is Ain then y is Ci 其中x1,x2,…….,xn及y为语言变量或称为模糊变量，代表系统的态变量和控制变量；Ai1,Ai2,….,Ain及Ci为语言值，代表论域中的模糊集合。
其次还有另一种表示法，是将后件部改为系统状态变量的函数，其型式如下： Ri：if x1 is Ai1 and x2 is Ai2….and xn is Ain then y＝f１(x1,x2,…….,xn) (2)目标评估模糊控制规那么 目标评估〔object evaluation〕模糊控制规那么能够评估控制目标，并且预测未来控制信号，其型式如下： Ri：if(U is Ci→(x is A1 and y is B1))then U is Ci3.3 决定模糊控制规那么的流程模糊控制规那么的型式主要可分为二种： 〔１〕 状态评估模糊控制规那么 状态评估〔state evaluation〕模糊控制规那么为类似人类的直觉思考，所以大多数的模糊控制器都使用这种模糊控制规那么，其型式如下：Ri：if x1 is Ai1 and x2 is Ai2….and xn is Ain then y is Ci 其中x1,x2,…….,xn及y为语言变量或称为模糊变量，代表系统的态变量和控制变量；Ai1,Ai2,….,Ain及Ci为语言值，代表论域中的模糊集合其次还有另一种表示法，是将后件部改为系统状态变量的函数，其型式如下： Ri：if x1 is Ai1 and x2 is Ai2….and xn is Ain then y＝f１(x1,x2,…….,xn) (2)目标评估模糊控制规那么 目标评估〔object evaluation〕模糊控制规那么能够评估控制目标，并且预测未来控制信号，其型式如下： Ri：if(U is Ci→(x is A1 and y is B1))then U is Ci 1.1.1 决定模糊控制规那么的流程 实际应用模糊控制时，最初的问题是控制器的设计，即如何设计模糊控制法那么，但到目前为止尚未有像传统的控制理论一样，能借由一套开展完整的理论推导来设计，其设计概念将于此简单介绍。
图3.4所示为单输入和单输出之定值控制的时间响应图，假设使用状态评估模糊控制规那么的型式，前件部变量为输出的误差E和在一取样周期内E的变化量CE，后件部变量为控制器输出量U之变化量CU那么误差、误差变化量及控制输出变化量之表示为： 其中E表误差，R表设定值，Y表系统输出，U表控制输出，下标n表在时刻n时的状态由此可知，误差变化量CE是随输出Y的斜率的符号变号，当输出上升时，CE<0, 下降时CE>0 本文所设计的模糊控制器之输出输入关系为： E,CE→CU 在一般控制的计算法上称为速度型，这是由于其输出为U对时间的微分，相当于速度的CU在构造上也可采用以U为后件部变量的位置型，但前件部变量必需改用E的积分值 由于由E与CE推论CU的构造，其中CU与E的关系恰巧相当于积分关系U(t)=Ki∫E(t)dt，而CU与CE的关系相当于比例关系U(t)=KpE(t)的缘故，所以又称为Fuzzy PI控制 模糊控制设计模糊控制规那么时，是在所设想对控制对象各阶段之反响，记述采取那一种控制比拟好；首先选择各阶段的特征点，记录在模糊控制规那么的前件部，然后思考在该点采取的动作，记录在模糊控制规那么的后件部。
例如在图3.6中，在第一循环之ａ１点附近，误差为正且大，但误差变化量几乎是零，可以记为“E is PB and CE is ZO〞在此点附近需要很大的控制输出，记为〞CU is PB〞;同样地，对于ｂ１点、ｃ１点、ｄ１点等的附近，可分别得到如下的控制规那么： a1：If E is PB and CE is ZO then CU is PB b1：If E is ZO and CE ix NB then XU is NB ｃ1：If E is NB and CE is ZO then CU is NB ｄ1：If E is ZO and CE is PB then CU is PB 在第二循环之ａ２，ｂ２等之附近，其E和CE的绝对值比ａ１，ｂ１点中之值相对减少，所以其CU值相对地也较小，其控制规那么如下： ａ２：If E is PM and CE is ZO then CU is PM ｂ２：If E is ZO and CE is NM then CU is NM 那么那么数最多可为４９条，此表只使用了其中１３条控制规那么，设计者可依实际需要自行加减规那么之数量，如１９条、３１条等等〔〕，以改系统之响应。
3.4 十字路口交通灯的控制策略本系统为一个4相位的交通灯控制系统，各相位如图3-2所示相位1的绿灯延时取决于东西直行道现有的绿灯时间内离开的车辆数和南北左行道红灯时间内的交通强度;相位2的绿灯延时取决于现有的南北左行道的绿灯时间内离开的车辆数和南北直行道红灯时间内的交通强度;相位3的绿灯延时取决于现有南北直行道的绿灯时间内离开的车辆数和东西左行道红灯时间内的交通强度;相位4的绿灯延时取决于现有东西左行道绿灯时间内离开的车辆数和东西直行道红灯时间内的交通强度图3-2 相位图十字路口交通流分布如图3-3所示东、南、西、北四个方向，每个方向均有右行、直行和左行三个车道车流在直行和左行的入口道上设置两个信号检测器构成一个检测区，一个设在停车线处，用于检测该道的车辆离开数(记为X);一个设在远端，用于检测车辆到达数(记为Y)检测器对路口各个车道流量进行实时检测而获取车流量信息，为模糊控制提供必要的数据为了简化运算，可以将两个相对的方向的X、Y值合并为一组，分别取两个方向的最大者，也就是所谓的主队列1、绿灯期间离开车辆数(X)的模糊化为了实现模糊控制，需要将绿灯时间分为两局部:其一是固定的10秒作为路口车辆状态参数的采集时间tl;其二根据两个方向车流量变化进行模糊决策的延时t。
绿灯期间车辆通过路口的速度不超过20km/h，那么在10秒内通过的最大车辆数约为10辆以红绿灯转换瞬间计时起点，记录10秒内通过的车辆数作为变量X的论域，取(0，10)，并将它分为三个模糊子集:少、中等、多，其附属函数设计如图3-4所示2、红灯期间到达车辆数(Y)的模糊化检测区的长度直接影响输入量Y的变化论域经过对某些路口不同时段车辆流量的实地调查分析，我们认为两个检测器之间的距离取100米左右较为适宜通常车辆的长度连同车辆间的间距平均约为5米，那么在100米内可能滞留的车辆最大数量约为20辆于是红灯方向到达的车辆数Y的论域为(0，20)3、输出及模糊分类本系统的输出就是两个方向的红黄绿灯，人行横道的红绿灯以及左行和右行红绿黄灯，其相互间的关系都是固定的，而且两个方向的输出关系也是固定的，最终都归结到对当前绿灯的延时t根据实际测试，对一般不太大的路口，直行的t最大取30秒较为恰当，左行的t最大取10秒较为恰当，那么绿灯的延时论域分别为(0，30)和(0，10)将其分为5个模糊子集:很短、短、适中、长、很长4、模糊规那么的设计本系统的模糊控制规那么的设计采用矩阵方式，根据交警实际操作的经验及有关知识来确定。
模糊控制规那么表如下表3-1所示很 少少中 等多很 多多很 长 长适 中短很 短中 等长 适 中短短很 短 少 短 短 很 短很 短很 短表3-1中，当两个方向的状态处于同一量级时，如同为多，或同为中等，或同为少时，绿灯的延时t均取“短〞，其目的是保证双方流量相差不多的情况下，尽快地均衡疏散上表中一共包含了15条模糊条件语句：规那么1:假设X=多， 且Y=很少，那么t=很长，否那么规那么2:假设X=多， 且Y=少， 那么t=长， 否那么规那么3:假设X=多， 且Y=中等，那么t=适中，否那么规那么4:假设X=多， 且Y=多， 那么t=短， 否那么规那么5:假设X=多， 且Y=很多，那么t=很短，否那么规那么6:假设X=中等， 且Y=很少，那么t=长， 否那么规那么7:假设X=中等， 且Y=少， 那么t=适中，否那么规那么8:假设X=中等， 且Y=中等，那么t=短， 否那么规那么9:假设X=中等， 且Y二多， 那么t=短， 否那么规那么10:假设X=中等，且Y=很多，那么t=很短，否那么规那么11:假设X=少， 且Y=很少，那么t=短， 否那么规那么12:假设X=少， 且Y=少， 那么t=短， 否那么规那么13:假设X=少， 且Y=中等，那么t=很短，否那么规那么14:假设X=少， 且Y=多， 那么t=很短，否那么规那么15:假设X=少， 且Y=很多，那么t=很短，否那么5、模糊推理算法与解模糊从模糊规那么得到的结果仍然是模糊量，还要经过模糊推理算法复原为精确量才能输出。
本设计采用当今模糊控制算法的主流算法—简易模糊推理算法对于每个确定的输入X和Y值对应不同的模糊子集，具有不同的附属度由此而激活的多条模糊规那么以取小的策略求出各输出于模糊集的附属度: 〔3-1〕 〔3-2〕然后采用重心法(加权平均法)解模糊，求出t2的精确值: 〔3-3〕式中: 为确定的X、Y输入值所对应的不同模糊子集的附属度; Tj为输出各模糊子集所对应的重心值3.5交通信号灯控制器的设计一、设计任务与要求 由一条干道和一条支道的集合点形成的十字路口，两道上的车辆交替通过，为确保车辆的平安,迅速通行,在交叉路口要求主车道和支车道两条交叉道的每个入口设置了红,绿,黄三色信号灯，主道再加一个绿色左拐标志灯红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯给行驶的车辆有时间停靠到禁行线外；绿色标志信号灯那么是让主道的车辆左拐进入支道1 用红,绿,黄,三色发光二极管作信号灯,主道红,绿,黄,绿〔左拐标志〕四个信号灯,支道红,绿，黄三个信号灯2 主干道和支道交替允许通行，主干道每次放行45秒，支道每次放行25秒。
设计45秒和25秒计时显示器电路3 为了方便主干道车辆进入支道, 主干道放行45秒后, 主干道亮红, 绿〔左〕灯, 支道亮红灯, 主道的车辆可左拐进入支道,时间25秒， 计时显示器电路4 在每次由红灯转换为绿灯以及亮绿〔左〕灯的过程中间，要亮5秒黄灯作为过度时间，以使得行驶中的车俩有时间停到禁行线外计时显示电路二、总体设计方案1 设计思路 系统中要求有45秒，25秒和5秒的三种定时信号，设计三种相应的计时显示器电路 计时顺序用顺计时定时的起始信号由主控电路给出，定时时间结束的信号也输入到主控电路，并通过主控电路去开启和关闭四色交通灯或启动另一种计时电路 主控电路是整个电路的核心，它的输入信号来自45秒，25秒，5秒三个定时信号2 交通灯态序分析〔1〕 主车道绿灯亮，支车道红灯亮表示主车道上的车辆允许通行，支车道禁止通行绿灯亮足规定的时间隔45秒时，控制器发出状态信号，转到下一工作状态〔2〕主车道黄灯亮，支车道红灯亮表示主车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，支车道禁止通行黄灯亮足规定时间间隔5秒时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态〔3〕主车道红灯，绿〔左〕灯亮，支车道红灯亮，表示主车道上车辆左拐进入支道，支车道禁止通行，如以下图。
红灯，绿〔左〕灯亮足规定时间间隔25秒时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态〔4〕 工作状态同〔2〕〔5〕 主车道红灯亮，支车道黄灯亮表示主车道禁止通行，支车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔25秒时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态〔6〕主车道红灯亮，支车道黄灯亮表示主车道禁止通行，支车道上位过县停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行黄灯亮足规定的时间间隔5秒时，控制器发出状态转换信号ST，系统又转换到第〔1〕种工作状态 交通灯以上6种工作状态的转换是由控制器器进行控制的设控制器的四种状态编码为000、001、010、011、100、101，并分别用S0、S1、S2、S3、S4、S5表示，那么控制器的工作状态及功能如下表所示，控制器应送出主、支车道红、黄、绿灯、绿〔左〕灯的控制信号为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定： 设定： 主道 ： 绿：G1 红：R1 黄：Y1 绿〔左〕：L1 支道 ： 绿：G2 红：R2 黄：Y2 车道运行状态表： 交通灯控制的状态图： 原理框图： 三 各功能模块具体设计过程1 秒脉冲电路〔1〕由555构成的多谐振荡器产生5V,1Hz时钟信号:由公式1.43/[(R1+2R2)C]=f和实际情况取得 R1=47KΩ,R2=36KΩ,C1=10μF,C2=0.01μF。
〔2〕测试555定时器电路产生周期为1s的时钟信号. 该电路是由555定时器构成的多谐振荡器,使其产生需要的方波作为触发器的CP脉冲,由于电路对脉冲的精确度要求不是很高而晶体振荡需要分频,所以采用555定时器构成的多谐振荡器2 定时与计时显示电路 定时器由与系统秒脉冲〔由时钟脉冲产生器提供〕同步的计数器构成计数器选用集成电路74LS163进行设计较简便74LS163是4位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步置。